Геологическая энциклопедия - бурение

(a. drilling, coring, boring; н. Bohren, Bohrarbeit; ф. forage, sondage; и. perforacion) процесс образования горн. выработки преим. круглого сечения путём разрушения горн. пород гл. обр. буровым инструментом (реже термическим, гидроэрозионным, взрывным и др. способами) с удалением продуктов разрушения. При Б. разрушение ведётся по всей площади забоя (бескерновое Б.), реже только по кольцевому пространству для извлечения керна (Колонковое бурение). Диаметры пробуриваемых выработок составляют десятки мм (Шпуры), сотни мм (скважины), тысячи мм (Стволы шахтные). Глубина Б. определяется областью его применения и составляет неск. м (в осн. шпуры), десятки м (скважины для размещения ВВ, закрепления г. п. цементированием, замораживанием и др.), сотни и тысячи м (скважины разведочные на воду, нефть и газ, эксплуатационные и др.). Процесс сооружения глубоких скважин включает также крепление стенок ствола обсадными трубами с закачкой цементного раствора в кольцевой зазор между трубами и стенками. Б. глубоких скважин осуществляют Буровыми установками, взрывных Буровыми станками, шахтных стволов стволопроходческими агрегатами, шпуров Бурильными молотками, свёрлами и др. Техн. средства Б. включают также Буровой насос или компрессор для подачи Бурового раствораи газа, Бурильные трубы, Буровую вышку с талевой системой, породоразрушающий инструмент, оборудование для приготовления промывочной жидкости, её очистки от шлама и дегазации, противовыбросовое оборудование и контрольно-измерит. аппаратуру. Б. производится в осн. механич. способом: Буровой инструментнепосредственно воздействует на г. п., разрушая её (см. Буровое долото, Буровая коронка); при Б. взрывных скважин в кварцсодержащих г. п. применяют Термическое бурение (струёй пламени). Механич. способы Б. по методу воздействия инструмента на забой подразделяют на Вращательное бурение, Ударное бурение, ударно-поворотное и Вращательно-ударное бурение. По типу применяемого породоразрушающего инструмента различают Шнековое бурение, Шарошечное бурение, Алмазное бурение, дробовое и т.п., по типу буровой машины перфораторное Б., Пневмоударное бурение, Гидроударное бурение, Роторное бурение, Турбинное бурение и т.п., по направлению и методу проводки скважин Кустовое бурение, вертикальное, наклонно направленное, многозабойное и др. Б. развивается и специализируется применительно к трём осн. областям горн. дела: добыча жидких и газообразных п. и., поиск и разведка п. и., добыча твёрдых п. и. взрывным способом. Такое исторически сложившееся деление весьма условно, но методологически удобно для краткого изложения столь многопланового понятия, как "Б.".

Б. для добычи жидких и газообразных полезных ископаемых. Имеются сведения, что в Китае св. 2 тыс. лет назад ударным способом бурились скважины диаметром 12-15 см и глуб. до 900 м для добычи соляных растворов. Буровой инструмент (долото и бамбуковые штанги) опускали в скважину на канатах толщиной 1-4 см, свитых из тростника. Ударный способ Б. до появления в кон. 19 в. роторного Б. практически оставался единственным.

В России Б. первых скважин относится к 9 в. и связано с добычей растворов поваренной соли в Старой Руссе. Затем соляные промыслы развиваются в Балахне (12 в.) и Соликамске (16 в.). Появление новых методов и техники Б. относится к 19 в. в связи с возрастающей необходимостью снабжения крупных городов питьевой водой. В 1831 в Одессе было образовано "Общество артезианских фонтанов" и пробурены 4 скважины глуб. 36-189 м.

В США первая скважина пробурена для добычи соляного раствора близ Чарлстона в Зап. Виргинии (1806), первая нефть из скважины получена в 1826 в шт. Кентукки случайно при поисках рассолов. В 1834 нем. инж. Эйгаузен предложил применять при штанговом ударном Б. сдвигавшуюся пару звеньев. Идея сбрасывать соединённое со штангами долото была реализована во Франции К. Г. Киндом (1844) и Фабианом (1849), к-рые изобрели свободно падающий буровой инструмент (фрейфал). В 1846 франц. инж. Фовелем впервые успешно была пробурена в Перпиньяне скважина с очисткой забоя струёй воды, подаваемой насосом с поверхности в полую штангу.

В сер. 19 в. ударное ручное Б. стало вытесняться портативными механич. станками. В России Г. Д. Романовский в 1859 впервые механизировал работы, применив паровой двигатель для Б. скважины вблизи Подольска. Первую скважину на нефть, пробуренную станком ударного Б., заложил Дрейк в 1859 (США, шт. Пенсильвания).

Первая скважина на нефть в России была пробурена в 1864 близ г. Анапа. Развитие техники Б. связано со становлением нефт. пром-сти. На нефт. промыслах Баку первые паровые машины появились в 1873, а через 10 лет почти повсеместно они заменили конную тягу. При Б. скважин на нефть на первом этапе получил развитие ударный способ (Б. штанговое, канатное, быстроударное с промывкой забоя). В кон. 80-х гг. 19 в. в США в Новом Орлеане (шт. Луизиана) внедряется роторное Б. на нефть с применением лопастных долот и промывкой глинистым раствором. В России роторный способ с промывкой впервые применили в 1902 в г. Грозный для Б. скважины на нефть глуб. 345 м. В Сураханах (Баку) в 1901 была заложена скважина для добычи газа, через год с глуб. 207 м получен газ, использовавшийся для отопления з-да. В 1901 на Бакинских нефтепромыслах появились первые электродвигатели, заменившие паровые машины. В нач. 20 в. в США разработан метод наклонного роторного Б. долотами малого диаметра для бурения скважин с последующим расширением.

Мор. скважина впервые была пробурена в 1897 в Тихом ок. у о. Сомерленд (шельф Калифорнийского п-ова, США), позже Б. на море получило широкое распространение. В СССР шельфовое Б. начато в 1924 (около Баку).

В нач. 20 в. в России польск. инж. В. Вольским создан быстроударный забойный гидравлич. двигатель (таран Вольского) прототип совр. Гидроударников. В 1924 сов. инж. М. А. Капелюшников, С. М. Волох и Н. А. Корнев сконструировали редукторный турбобур, использовавшийся до 1934 при Б. скважин глуб. до 1000 м. В 1935-39 сов. инж. П. П. Шумилов, Р. А. Иоаннесян, Э. И. Тагиев и М. Т. Гусман предложили многоступенчатый без-редукторный турбобур, после чего турбинный способ Б. стал основным. В 1941 они разработали также метод наклонно направленного Б. с долотами нормального диаметра без последующего расширения, к-рый получил распространение, т.к. позволял сооружать неск. скважин на одном основании. В 1940 в Баку пробурена первая скважина электробуром, разработанным А. П. Островским и Н. В. Александровым. В 1941 сов. инж. Н. С. Тимофеев предложил в устойчивых породах применять многозабойное Б.

В нач. 50-х гг. по предложению Р. А. Иоаннесяна, М. Т. Гусмана и Г. А. Булаха в Махачкале впервые пройдена скважина большого диаметра (ок. 1 м) реактивно-турбинным способом, что позволило начать работы по сооружению шахтных стволов.

В нач. 60-х гг. в США Харрисон использовал героторный винтовой насос Муано для создания объёмного двигателя, к-рый применяют для искривления скважины при наклонно направленном Б. В СССР для Б. скважин на нефть и газ с кон. 60-х гг. используется героторный двигатель с винтовой парой со значительно бульшим числом заходов, что позволяет увеличить вращающий момент и снизить частоту вращения. Им бурят всю скважину, а не только участки её искривления (см. Винтовой забойный двигатель).

В США роторным способом пробурена в 1975 одна из самых глубоких скважин в мире 9583 м (см. Сверхглубокое бурение). В СССР по программе "Верхняя мантия Земли" намечено пробурить неск. скважин глуб. до 15 км. Б. первой такой скважины начато на Балтийском щите турбобурами (к 1981 глубина достигла 11 км).

Совр. Б. скважин на нефть и газ характеризуется увеличением глубины проходки, резким возрастанием общих объёмов Б. Ср. глубины скважин в США в эксплуатац. Б. составляют ок. 1300 м, разведочном ок. 1700 м; в СССР в эксплуатационном ок. 1900 м, разведочном ок. 3000 м. Осн. объёмы Б. в СССР приходятся на турбинное Б. (ок. 80% общей проходки, 1975-78). Намечаются увеличение объёма роторного Б. и расширение использования героторных двигателей. В США осн. способ Б. на нефть и газ роторный; при этом предполагается увеличить процент Б. Забойными двигателями. Осн. направления совершенствования Б. связаны с улучшением конструкций долот, двигателей, бурильных колонн, увеличением проходки долота за рейс, использованием эффективных промывочных растворов, автоматизацией процесса Б., улучшением конструкций скважин и повышением качества их крепления.

Поиски и разведка твёрдых полезных ископаемых. Развитие разведочного Б. на твёрдые ископаемые связано с изобретением швейцарцем Ж. Лешо алмазного бура (1862). В 1899 амер. инж. Дейвисом предложено дробовое Б. В СССР дробовое Б. применено в 1927-28 сов. учёными В. М. Крейтером и Б. И. Воздвиженским для колонкового Б., что позволило заменить этим способом алмазное Б. в крепких извержениях и метаморфич. породах. В 1928-29 в СССР начинается произ-во буровых станков с рычажной подачей для колонкового вращат. Б. на глуб. до 300-500 м, с 1947 создаются станки с рычажной дифференциальной подачей, многоскоростные станки для глуб. 300-2000 м, самоходные буровые установки. С 1960 начались работы по освоению гидроударного Б. (Л. Э. Граф, А. Т. Киселёв, Д. И. Коган), что обеспечило значит. увеличение производительности твёрдосплавного колонкового Б. Радикально совершенствуется алмазное Б. (Ф. А. Шамшев, И. А. Уткин, Б. И. Воздвиженский, С. А. Волков и др.), объёмы к-рого для поисков м-ний п. и. увеличиваются. При разведке крутопадающих рудных тел, когда для пересечения их на разных горизонтах проходят неск. скважин, применяют направленное многозабойное Б., к-рое проводится с помощью отклоняющих устройств, устанавливаемых в скважине на разных глубинах. Разведочное Б. на твёрдые п. и. осуществляется в осн. роторным способом, на к-рый приходится ок. 80% метража пробуренных скважин; в огранич. объёмах применяются ударно-вращательное, гидроударное, шнековое, вибрационное Б. и др. Работы в области разведочного Б. направлены на обеспечение сохранности извлекаемого с большой глубины керна, разработку аппаратуры и надёжных методов опробования г. п. Совершенствование техники и технологии разведочного Б. на твёрдые п. и. связано с внедрением Б. снарядами со съёмными керноприёмниками, гидроударного, бескернового с использованием боковых сверлящих грунтоносов, полной автоматизацией всего процесса Б.

Бурение взрывных шпуров и скважин. Машинное Б. шпуров разработано нем. механиком Г. Гутманом (1683); развитие его связано с созданием буровых машин австр. инж. Гайншингом (1803) и англ. механиком Травелом (1813). Поршневые бурильные машины для ударного Б. шпуров (предложены инж. Соммейе) впервые применили при прокладке тоннеля в Альпах, что резко сократило сроки стр-ва. С сер. 19 в. Б. взрывных скважин на карьерах производится мощными бурильными молотками, установленными на треногах.

С нач. 20 в. внедряется вращат. Б. шпуров в мягких породах электросвёрлами. В нач. 20-х гг. на карьерах США впервые использованы ударно-канатные буровые станки. В СССР этот способ применялся в 30-60-е гг. и являлся основным для Б. вертикальных скважин диаметром 150-300 мм в породах выше ср. крепости. Шнековое Б. в СССР начали применять с 1939. В 1943 на Богословских угольных разрезах (Урал) испытан первый станок вращат. Б. на гусеничном ходу.

В 1947 в США на карьерах испытан один из первых станков для Б. взрывных скважин шарошечными долотами. В СССР работы по шарошечному Б. начаты в 1956. В 60-е гг. созданы серийные шарошечные станки для Б. вертикальных и наклонных скважин диаметром 214-320 мм. Мощные шарошечные станки оказались наиболее эффективными и экономичными для Б. крепких пород.

Впервые для отбойки руд глубокие взрывные скважины применены вместо шпуров в 30-х гг. в СССР для подземных выработок на Кольском п-ове и в Кривом Роге. С этого времени начинают создаваться машины для подземного Б. скважин диаметром 60-150 мм и глуб. 10-40 м. С сер. 30-х гг. развивается метод штангового Б. взрывных скважин мощными бурильными молотками, что позволило внедрять массовую отбойку в подземной разработке рудных м-ний. В кон. 30-х гг. на шахтах Кривого Рога успешно внедрено многомашинное Б. глубоких скважин. В 1938 сов. инж. А. К. Сидоренко предложено Б. погружными бурильными молотками, входящими в скважину вслед за продвигающимся забоем. В 1949-50 на Алтае в подземных выработках были впервые испытаны станки с погружными пневмоударниками, вращение к-рых осуществляется с поверхности через буровой став (С. П. Юшко). В 1954 в СССР для Б. скважин диаметром 105 мм, глуб. до 40 м создан буровой станок с погружным пневмо-ударником, работающим на воздушно-водяной смеси (см. Пневмоударное бурение). Внедрение высокопроизводит. станков этого типа позволило широко распространить эффективную отбойку глубокими скважинами, к-рыми в СССР бурится 50 60% всех объёмов для добычи руд подземным способом. С 1950 для подземной добычи создаются самоходные буровые станки с мощными пневматич. и гидравлич. бурильными молотками с длинноходовыми автоподатчиками для Б. взрывных скважин диаметром 50-70 мм, глуб. до 30 м. С 50-х гг. ведутся работы по огневому Б. скважин в крепких кварцсодержащих породах. Б. взрывных скважин на карьерах в СССР осуществляется в осн. шарошечным способом (ок. 70%, 1981), используется шнековое Б. (ок. 20%). При подземной разработке угольных м-ний наибольшее распространение имеет Б. бурильными молотками и электросвёрлами, рудных бурильными молотками, погружными пневмоударниками, шарошечными долотами.

Литература: Бурение нефтяных и газовых скважин, М., 1961; Куличихин Н. И., Воздвиженский Б. И., Разведочное бурение, 2 изд., М., 1973; Кутузов Б. Н., Теория, техника и технология буровых работ, М., 1972; Техника бурения при разработке месторождений полезных ископаемых, 2 изд., М., 1974; Резанов И. А., Сверхглубокое бурение, М., 1981; Техника и технология высокоскоростного бурения, М., 1982.

Р. А. Иоаннесян, Б. Н. Кутузов.